一種端板拼接鋼梁節(jié)點受力性能分析

郭金海，　段樹金

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

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一種端板拼接鋼梁節(jié)點受力性能分析

郭金海，段樹金

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

以高強螺栓外伸端板拼接梁節(jié)點為研究對象，采用有限元模擬計算得到了節(jié)點在單調(diào)加載下的剪力—滑移曲線和彎矩—轉(zhuǎn)角曲線，呈現(xiàn)出節(jié)點連接的半剛性；分析了端板厚度、螺栓直徑、加勁肋對節(jié)點受力性能的影響，得出結(jié)論：增加端板剛度及螺栓直徑有利于節(jié)點承載力和變形能力的提高。

鋼結(jié)構(gòu)；端板拼接；梁拼接；剪力—滑移曲線；彎矩—轉(zhuǎn)角曲線

鋼結(jié)構(gòu)因具有施工速度快、自重輕、清潔環(huán)保等優(yōu)點而被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用。在鋼結(jié)構(gòu)建造過程中，常常由于受力要求或施工現(xiàn)場因素而將構(gòu)件進行拼接。拼接具有多種形式，其中端板拼接為其中一類。尤其是在大力發(fā)展裝配式鋼結(jié)構(gòu)的背景下，對包含端板拼接形式在內(nèi)的節(jié)點拼接的受力性能進行分析具有重要理論與應(yīng)用價值。國內(nèi)外對端板拼接形式已取得很多研究成果，如文獻[1]通過對168個梁試件的二維有限元分析，得出了螺栓端板連接節(jié)點彎矩—轉(zhuǎn)角(M-θ)關(guān)系曲線回歸方程，且方程中考慮了端板形式、螺栓尺寸及布置和材料屬性等。文獻[2]對端板拼接方鋼管柱的上下兩片端板之間的分離現(xiàn)象進行了深入分析，明確了端板的分離現(xiàn)象對連接的承載力有明顯影響。文獻[3]考慮梁高、螺栓布置、加勁肋、端板厚度及焊接工藝的因素，對15組端板連接試件進行循環(huán)加載試驗研究，得出螺栓拉力相對松弛的端板拼接有較好的耗能性能，且外伸端板加勁肋不僅能提高節(jié)點耗能性能而且也改善了節(jié)點屈服時的變形能力；同時還提出適用于有無加勁肋情況下多種螺栓布置的端板厚度計算公式。文獻[4]對工字梁外伸端板高強螺栓梁拼接的抗彎性能進行了研究，探討了螺栓間距、梁高等因素對節(jié)點抗彎能力的影響，對端板及螺栓強度進行分析，提出了節(jié)點的簡化設(shè)計方法，并且與當(dāng)前常用設(shè)計方法進行了對比。施剛、石永久等對端板連接的梁柱節(jié)點及梁節(jié)點進行了試驗及有限元分析，提出了現(xiàn)行外伸端板設(shè)計中的一些問題并進行了相應(yīng)改進，且提出了一種外伸端板螺栓拉力分布模型及相應(yīng)設(shè)計方法[5]。文獻[6]對影響外伸端板連接形式的承載力及初始剛度影響因素進行研究，提出了連接承載力及初始剛度的計算方法。文獻[7]對一種新型柱腳進行單調(diào)加載下力—位移關(guān)系進行研究，得到柱腳的力—位移關(guān)系擬合公式，并用實例驗證了研究結(jié)果的合理性。

本文對高強螺栓外伸端板拼接梁節(jié)點進行研究，采用有限元分析得到節(jié)點在單調(diào)加載下的剪力—滑移曲線和彎矩—轉(zhuǎn)角曲線；分析端板厚度、螺栓直徑、加勁肋對節(jié)點受力性能的影響。

1 單調(diào)加載分析

1.1 基本試件構(gòu)造及網(wǎng)格劃分

梁段采用H型鋼，不計翼緣板抗剪，截面極限抗剪承載力Fp=675.36 kN；截面彈性極限彎矩Me=313.54 kN·m，全截面塑性彎矩Mp=400.27 kN·m；兩段長為L的梁段采用高強螺栓端板連接，單個高強螺栓預(yù)緊力P=100 kN，端板間平均預(yù)緊應(yīng)力為σ=7.7 MPa。試件構(gòu)造如圖1所示，端板厚度t=18 mm，試件高強螺栓桿直徑d=20 mm，螺帽直徑30 mm、厚20 mm，螺栓孔直徑d0=21.5 mm，試件具體尺寸見表1。

ANSYS分析中模型材料應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系分別如圖2、圖3所示，材料屬性見表2。

有限元模型網(wǎng)格劃分方式均為自由網(wǎng)格劃分，H型鋼梁單元尺寸為40 mm，端板網(wǎng)格尺寸為20 mm，螺栓網(wǎng)格尺寸為7 mm。按照接觸面選擇一般原則，考慮連接中端板與端板、端板與螺帽、螺栓桿與孔壁的接觸，試件有限元模型如圖4所示。

圖1 基本試件構(gòu)造

幾何參數(shù)數(shù)值/mm幾何參數(shù)數(shù)值/mmL1000t116h300t250H520t350B200t450b200t5120t14t690

表2 基本試件材料屬性

1.2 邊界條件及加載方式

試件一端約束豎向位移uy、縱向位移uz及腹板的側(cè)向位移ux，另一端約束豎向位移uy及腹板側(cè)向位移ux，即為約束兩端腹板側(cè)向失穩(wěn)的簡支約束。分析時首先對螺栓施加預(yù)緊力，然后在拼接位置一側(cè)端板1/2高度水平節(jié)點上施加y負(fù)向單調(diào)增加位移荷載，每個位移荷載步為2 mm，共41個荷載步。分析中不考慮焊接及其殘余應(yīng)力的影響。

圖2 端板材料應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系 圖3 螺栓材料應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系 圖4 有限元模型示意圖

1.3 單調(diào)加載力—位移曲線

有限元分析得到節(jié)點截面的剪力—滑移曲線和彎矩—轉(zhuǎn)角曲線，分別如圖5和圖6所示。

由圖5、圖6可知，節(jié)點的抗彎承載力為Mu=184.3 kN·m，抗剪承載力為Vu=184.3 kN。節(jié)點具有剪力—滑移和彎矩—轉(zhuǎn)角雙重半剛性特點，其力—位移關(guān)系可分為3個階段：第1階段為線彈性增長階段，荷載為零時，由于預(yù)緊力的作用，兩端板接觸面處于全面均勻受壓狀態(tài)；隨著荷載增加，中和軸以下接觸面上的壓應(yīng)力逐漸減小，但全截面仍處于受壓狀態(tài)，截面不會分離，直到端板下緣的壓應(yīng)力降為零，此階段下部兩排螺栓拉力未明顯增大，應(yīng)力分布如圖7所示。第2階段為非線性增長階段，隨著繼續(xù)加載，從端板下緣開始，兩端板面分離并逐漸向上發(fā)展，形成截面相對轉(zhuǎn)動，并伴隨著滑移，直到達到抗彎(剪)承載力，達到抗彎(剪)承載力時節(jié)點應(yīng)力狀態(tài)如圖8所示；此階段螺栓和端板材料絕大部分處于彈性階段，所以兩端板面相對轉(zhuǎn)動和滑移的量都不大。當(dāng)節(jié)點達到承載力后，下兩排螺栓桿應(yīng)力已經(jīng)達到屈服應(yīng)力640 MPa，而端板最大應(yīng)力為229 MPa，兩端板面相對轉(zhuǎn)動和滑移迅速增加，進入第3階段，應(yīng)力分布如圖9所示。節(jié)點的破壞可能由螺栓桿被拉斷或端板局部屈曲所導(dǎo)致；由于本文采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，故承載力減小趨勢較為明顯；若采用考慮硬化的本構(gòu)關(guān)系，此階段承載力下降會有所延緩。

圖5 節(jié)點剪力—滑移曲線

圖6 節(jié)點彎矩—轉(zhuǎn)角曲線

圖7 未達承載力前節(jié)點應(yīng)力分布圖8 達到承載力時節(jié)點應(yīng)力分布 圖9 承載力之后節(jié)點應(yīng)力分布

2 節(jié)點參數(shù)影響分析

2.1 試件設(shè)計

利用ANSYS有限元分析，對連接部位端板厚度、螺栓直徑、有無加勁肋三種因素對節(jié)點單調(diào)加載情況下的力—位移關(guān)系的影響進行分析。為此共設(shè)計7個試件，具體見表3?？紤]節(jié)點的受剪及受彎作用，對7個試件施加相同單調(diào)增加位移荷載，得出各自節(jié)點剪力—滑移曲線及彎矩—轉(zhuǎn)角曲線關(guān)系并進行對比。

2.2 有限元結(jié)果分析

通過對7個試件進行單調(diào)加載有限元分析，得出其力—位移曲線，分別見圖10～圖15。

表3 試件參數(shù)

經(jīng)分析，7個試件在達到承載力時節(jié)點下兩排螺栓中都出現(xiàn)了屈服，而端板應(yīng)力值隨厚度的增加而有所降低。從7個試件曲線的分組對比可看出，外伸端板連接節(jié)點均呈現(xiàn)出剪力—滑移和彎矩—轉(zhuǎn)角雙重半剛性性質(zhì)。當(dāng)端板未出現(xiàn)明顯滑移之前都有較大的剛度，表現(xiàn)出明顯剛性特征，一旦發(fā)生比較明顯滑移后曲線開始變得趨于平緩，體現(xiàn)了節(jié)點抗剪的柔性。分析單調(diào)加載情況下不同端板厚度的力—位移曲線可知：隨著端板厚度的增加，節(jié)點剛度有一定程度的增加，從而使得節(jié)點抗剪及抗彎能力都有一定的提升。同樣，在同等條件下增大螺栓直徑，雖然螺栓孔對節(jié)點有一定削弱，但節(jié)點承載性能仍有一定程度的提升。當(dāng)兩端外伸端板設(shè)置加勁肋后，節(jié)點剛度的增大要比增加端板厚度、增大螺栓直徑后節(jié)點剛度的加大程度要高，節(jié)點的承載性能與延性都有良好的體現(xiàn)。故設(shè)置加勁肋是提高節(jié)點承載能力及其工作變形性能的比較有效的方式。

圖10 不同端板厚度模型剪力—滑移曲線 圖11 不同端板厚度模型彎矩—轉(zhuǎn)角曲線 圖12 不同螺栓桿直徑模型剪力—滑移曲線

圖13 不同螺栓桿直徑模型彎矩—轉(zhuǎn)角曲線 圖14 有無加勁肋模型剪力—滑移曲線 圖15 有無加勁肋模型彎矩—轉(zhuǎn)角曲線

3 結(jié)論

(1)外伸端板拼接節(jié)點屬于半剛性節(jié)點，顯示出剪切和轉(zhuǎn)動的雙重半剛性特點。

(2)在單調(diào)加載情況下，增加連接處端板厚度、增大螺栓直徑、設(shè)置加勁肋都可使節(jié)點的承載性能及工作性能得到一定程度提升，即增加節(jié)點剛度有利于節(jié)點承載力和變形能力的提高。

(3)雖然螺栓直徑的增加會直接導(dǎo)致螺栓孔的增大，但對節(jié)點的承載力與變形性能的提高也有一定作用。

[1]KRISHNAMURTHY N,AVERY L K,JEFFREY P K,et al.Analytical M-θ curves for end-plate connections[J].Journal of the Structural Division,1979,105:133-145

[2]BANIOTOPOULOS C C.On the separation process in bolted steel splice plates[J].Journal of Constructional Steel Research,1995,32(1):15-35

[3]ADEY B T,GRONDIN G Y,CHENG J JR.Cyclic loading of end plate moment connections[J].Canadian Journal of Civil Engineering,2011,27(4):683-701

[4]DESSOUKI A K,YOUSSEF A H,IBRAHIM M M.Behavior of I-beam bolted extended end-plate moment connections[J].Ain Shams Engineering Journal,2013,4(4): 685-699

[5]施 剛,石永久,王元清,等.門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)端板連接的有限元與試驗分析[J].土木工程學(xué)報, 2004, 37(7):6-12

[6]陸鐵堅,張建軍,余志武,等.梁柱外伸端板連接節(jié)點的計算模型[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報,2010,7(5):6-11

[7]DUAN Shujin,JIN Kanhui，GENG Zhe.A new type of column base connection and its mechanical properties analysis[C]//New Developments in Structural Engineering and Construction.Singapore:Research Publishing,2013:423-428

A Performance Analysis of the Forced Nods of an End-Plate-Spliced Steel Beam

GUO Jinhai，DUAN Shujin

(College of Civil Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China)

With the forced nods of an end-plate-spliced beam with high-strength bolts as the objects our studies,the shear-slip curve and the moment-rotation curve of the beam joint spliced with high-strength bolts and the extended end-plates under the monotonic load are obtained in the paper,with the joint found to be semi-rigid.The effects of the thickness of the end plates,the diameters of the bolts and stiffening ribs on the mechanical properties of the joints are analyzed.It is found that increasing the stiffness of the end plates and the diameters of the bolts helps improve the bearing capacity and ductility of the joint.

steel structure;end-plate-spliced;beam-splicing;shear-slip curve;moment-rotation curve

2016-05-17

郭金海(1988—)，男，碩士研究生，研究方向為結(jié)構(gòu)工程。

10.13219/j.gjgyat.2016.05.011

TU391

A

1672-3953(2016)05-0036-04